基于X射線連續源的數字成像檢測技術的應用

鞏德興，姚　力，路　君，賴德明,李振梅

(中國空氣動力研究與發展中心， 綿陽 621000)

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基于X射線連續源的數字成像檢測技術的應用

鞏德興，姚力，路君，賴德明,李振梅

(中國空氣動力研究與發展中心， 綿陽 621000)

由于儲存特種燃料的壓力管道常年在苛刻條件下運行，容易發生腐蝕穿孔和泄漏事故，引發嚴重危害和環境污染。基于連續X射線源透照，分析了此類管道腐蝕缺陷數字成像檢測方法。通過大量的現場檢測應用表明：該方法適合特種燃料壓力管道的腐蝕缺陷檢查，可以對管道內表面的腐蝕情況進行快速抽查，是此類管道腐蝕狀態巡查的有效手段。

壓力管道；X射線連續源；數字射線

作為航天器能源輸送的重要通道，特種燃料壓力管道由于介質特殊，工況惡劣，容易產生針孔腐蝕、凹坑腐蝕、帶狀腐蝕、縫隙腐蝕和應力裂紋等缺陷，嚴重時甚至腐蝕穿孔導致泄漏，引發環境污染。過去對這些在用帶保溫層的特種燃料壓力管道的內部檢測,主要采用傳統的射線膠片照相法，存在檢測成本高、檢測效率低、膠片長期儲存困難和不利于數字建檔等缺點。后來引進了平板數字成像檢測系統，其中X射線透照設備配置的是脈沖源。雖然其射線管焦點較小，在一定條件下可獲得更高清晰度的透照影像，但其穿透力較弱，電池連續工作時間較短，且射線穿透能力隨電池蓄電量的減少而急劇下降;即使相同規格的承壓設備，在透照過程中也需要不斷地調整透照參數，工作效率低，無法完成更大壁厚范圍、工期要求更短的壓力管道檢驗檢測任務。

與脈沖源相比，連續X射線源突出的優點是連續工作時間長，不需頻繁調整工藝透照參數，且穿透能力比脈沖源強得多，可以解決標配的脈沖源目前不能解決的問題。但目前所有的連續X射線源與數字實時成像系統并不配套，還需解決信號采集與射線透照的同步聯動與控制問題;此外，連續X射線源的焦點尺寸較大，透照影像的幾何不清晰度也較大。因此，如何在提高X射線源穿透能力的同時，通過調整射線透照布置和優化工藝參數，使透照影像的檢測靈敏度滿足要求，成為急迫解決的技術問題。筆者基于連續X射線源透照，分析了特種燃料壓力管道腐蝕缺陷數字成像檢測方法。

1　方法論述

1.1數字射線成像檢測的基本原理

數字射線檢測(Digital radiography，DR)主要采用直接數字化射線檢測技術， 通過平板探測器(Flat Plane Detector)將X射線能量轉換成電信號，DR檢測系統的基本組成包括射線源、輻射探測器、圖像顯示與處理單元。平面探測器的特性會對數字射線圖像質量產生較大的影響。

1.2非晶硅輻射探測器構成及探測器轉換原理

非晶硅輻射探測器包括閃爍體層、非晶硅層(光電二極管陣列)、薄膜晶體管陣列(TFT)、電路。碘化銫閃爍體層由連續排列的針狀碘化銫晶體構成，針狀結構能夠聚集散射光，可以有效抑制散射，從而改善探測器的調制調解(MTF)特性和量子探測效率[1]。

非晶硅輻射探測器射線轉換原理為：入射X射線激發閃爍體層，閃爍體層將輻射轉換為熒光，熒光被傳輸到二極管非晶硅陣列，非晶硅將熒光轉換為電信號，電信號再被傳送到光電二極管陣列的相應的薄膜晶體管陣列(TFT)，在TFT的各電容單元形成儲存電荷;電荷由讀出電路按順序讀出，形成數字信號[2]。信號強度取決于物質(試件)的衰減系數和射線在物質中的穿透厚度，如果被透照物體存在缺陷，缺陷處與正常部位射線衰減程度不同，射線透過后強度就會與周圍產生差異，通過成像控制處理單元(CDU)來記錄這種差異。

2　試驗過程與結果

2.1試驗用對比試件

為保證儀器調試的穩定性和檢測結果的可比性，檢測系統調試采用人工缺陷試件(圖1)，材料均為16MnR，試件相鄰部位人工缺陷尺寸呈數列變化。

圖1　人工缺陷試塊外觀

2.2試驗儀器

檢測采用以色列Vidisco生產的平板DR檢測系統，其中成像板型號為Fox-Rayzor，為非晶硅陣列結構，厚度13 mm，成像區域尺寸為228 mm×215 mm，動態范圍14 bit(16 384灰度)，分辨率為3.5 lp/mm，透照設備分別采用標配XRS-3脈沖射線源(圖2(a))和比利時生產的SITE-XC2005OEX/5連續射線源(圖2(b))。脈沖源額定管電壓270 kV，脈沖寬度60 ns，焦點尺寸3 mm；連續源額定管電壓200 kV，額定管電流5 mA，焦點尺寸3 mm。

圖2　脈沖射線源與連續射線源透照裝置外觀

2.3試驗步驟

準備好試驗用對比試件，用階梯試件模擬帶狀腐蝕缺陷，用孔型試件模擬凹坑腐蝕缺陷，調試好數字檢測成像系統，依次采用脈沖X射線源、連續X射線源，對試件進行不同工藝參數的射線透照。其中,采用連續源必須控制好透照曝光時間，既要防止曝光時間過長而加速成像板老化，影響成像板使用壽命，又要防止曝光時間過短，導致透照影像失效;故應保證曝光時間剛好完全覆蓋數字檢測系統成像板系統的圖像采集時間。分別記錄各次的檢測情況，最后對試驗結果進行綜合分析。

2.4試驗結果分析

對階梯試件和孔型試件，采用相同的透照布置和透照焦距，在設定條件進行了數字射線成像檢測，其中階梯試件檢測結果如表1所示,表中最大灰度是指人工缺陷影像近中心區域的灰度測量值(采用與膠片黑度相類似的極性方式),其中部位1至部位6分別為階梯試塊上厚度為2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0 mm的不同區域。孔型試件的透照試驗結果見圖3。

表1　階梯試塊的檢測結果

圖3　孔型試塊的脈沖射線源與連續射線源透照試驗對比

根據相關研究[3-4]及對比試驗結果，可以發現：采用連續源透照與采用脈沖源透照得到的數字射線影像，像質計靈敏度均可達到標準JB/T 4730.2-2005《承壓設備無損檢測 第二部分:射線檢測》膠片法AB級要求；采用連續源時，不同厚度透照影像相鄰區域的最大灰度差較脈沖源略小，且影像存在更明顯的明暗相間條紋；采用多幀疊加技術后，采用連續源透照與脈沖源透照所得到的數字射線影像灰度均勻性均得到顯著改善，影像質量幾乎沒有差異。對比數字檢測試驗結果,可初步看出：通過優化透照布置和檢測工藝，采用連續源透照對帶狀腐蝕缺陷和凹坑腐蝕缺陷均可有效檢出。同傳統射線膠片法不能通過黑度測量實現一定精度缺陷自高檢測一樣，階梯試塊上相鄰區域相同厚度差(均為0.5 mm)，其對應的影像灰度差值并不相同,也就是說，通過灰度值來確定沿透照方向腐蝕缺陷自身高度，從而實現定量精度滿足要求的設想，目前仍然存在一定的困難。受試驗對比試件類型和尺寸、人工缺陷種類和規格、工藝參數優化程度和檢測樣本等因素限制，試驗得到的結果的代表性還不強，還未能得到連續源透照對不同形態腐蝕缺陷(如縫隙腐蝕、針孔腐蝕等)與脈沖源透照在數字射線影像質量、缺陷檢出率等方面的數據。

圖4　不同缺陷的檢測示例圖片

分析可知，基于連續X射線源的數字成像檢測對特種燃料壓力管道凹坑腐蝕和帶狀腐蝕缺陷均有較高的檢出能力，可以邊檢測邊實時觀察壓力管道內表面的腐蝕影像，作為特種燃料壓力管道腐蝕缺陷快速檢測的有效手段。

4　結論

(1) 采用連續源進行X射線數字成像檢測，具有更強的穿透能力，檢測效率高，可檢測壓力管道的范圍也更廣。檢測靈敏度與采用連續源檢測法相當，均可達到JB/T 4730.2-2005膠片法AB級的水平;分辨率與采用脈沖源法大致相當，略低于膠片法，基本滿足GB/T 17925-2011《氣瓶對接焊縫X射線數字成像檢測》標準要求。

(2) 數字射線檢測影像寬容度大，適合檢測截面變化較大的缺陷(如腐蝕等)，圖像清晰，缺陷易于識別，可有效檢出壓力管道凹坑腐蝕和帶狀腐蝕等缺陷;并且檢測速度快(不用拆卸保溫層)，提高了檢測效率，是特種燃料壓力管道定期檢驗中值得進一步深入研究和推廣應用的射線檢測新技術。

[1]桂朝偉,唐曉薇,翠俊鵬,等.碘化銫非晶硅平板探測器的原理及應用[J].中國醫學裝備，2009(6):10-13.

[2]巨西民,蔣中印,蘭川,等.埋弧焊鋼管焊縫DR檢測機理及應用 [J].無損檢測，2014，36(10):29-77.

[3]鄒益平.DR檢測與常規X射線檢測對比研究[C].遠東無損檢測新技術論壇.成都:[出版者不詳],2014.

[4]熊麗華.DR技術與RT膠片法裂紋檢出對比試驗研究[C].遠東無損檢測新技術論壇.成都:[出版者不詳],2014(6):213-204.

3　檢測應用

為縮短檢修時間，在前期對比試驗的基礎上，采用連續源透照對帶保溫層的特種燃料壓力管道進行了X射線檢測，如圖4所示。

通過對數字成像透照現場應用的情況進行初步

The Application of DR Detection Technique Based on Continuous X-Ray

GONG De-xing， YAO Li， LU Jun， LAI De-ming， LI Zhen-mei

(China Aerodynamics Research and Development Center， Mianyang 621000, China)

The special type of fuel pressure pipeline was always operated in harsh condition. Corrosion perforation occurs frequently and the leakage hazardous medium is easy to cause serious disaster and environment pollution. In this paper，digital radiographic corrosion imaging technique on the pipeline was researched. Practical application showed that the method for the special type of fuel of pressure pipeline of large area scanning was a fast way，and it was an effective means for the pipeline corrosion detection.

Pressure pipeline； Continuous spectum X-ray； Digital radiography

2015-05-28

鞏德興(1964-)，男，高級實驗師，主要從事承壓設備檢驗檢測及相關技術應用研究。

10.11973/wsjc201510004

TG115.28

A

1000-6656(2015)10-0013-03